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Regolazione dell’espressione genica

Ogni processo che porta dal DNA alla proteina funzionale è soggetto a regolazione. Il primo processo relativo alla trascrizione è il più importante punto di regolazione

(principio della massima economia cellulare). Una situazione analoga è presente nella regolazione delle

principali vie metaboliche

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Geni costitutivi & inducibili

Geni costitutiviGeni costitutiviSono costantemente espressi durante tutto il ciclo vitale della

cellula indipendentemente dal suo stato metabolico.In genere riguardano geni che codificano per proteine di

membrana ed enzimi coinvolti nelle vie metaboliche di base

Geni inducibili o reprimibiliGeni inducibili o reprimibiliAumentano o diminuiscono in risposta a segnali molecolarisegnali molecolari*

legati a cambiamenti ambientali e/o condizioni cellulari

*I segnali molecolari sono almeno tre: Fattori di specificità: alterano la specificità della RNA polimerasi per un dato promotore Repressori: impediscono l’accesso dell’RNA polimerasi al promotore Attivatori: favoriscono l’interazione RNA polimerasi-promotore

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Promotore & Fattori di specificitàLa regolazione della trascrizione è localizzata in una zona a monte del sito di trascrizione

del DNA e prende il nome di “promotorepromotore”. Alcuni promotori comprendono, oltre alle sequenze di consenso, l’elemento UP (upstream promoter)

PromotorePromotore

Un esempio di regolazione dell’espressione genica da fattori di specificità è la risposta allo shock da calore in E.coli. Quando l’E.coli è sottoposto a stress termico e/o ambientale, un

fattore di specificità fattore di specificità presente sulla subunità dell’RNA polimerasi, interagisce con un promotore specifico inducendo la sintesi di un gruppo di proteine che

permettono l’adattamento allo stress

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Repressori & attivatori

Vicino al promotore o al suo interno sono presenti siti di controllo denominati operatori operatori

dove si legano specifiche proteine che impediscono l’accesso della RNA polimerasi (repressorirepressori) o la favoriscono (attivatoriattivatori)

L’interazione degli operatori con il DNA è regolata da effettorieffettori, in

genere piccole molecole,

che interagendo con l’operatore ne provocano una variazione

conformazionale con conseguente

aumento o diminuzione

della trascrizione genica

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I geni regolatori nei procarioti

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Gli operoni

I procarioti possiedono gruppi di geni strettamente correlati e regolatiche prendono il nome di “operoneoperone“

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Regolazione dell’operone del lattosio (1)

-Galattosidasi Permeasi Transacetilasi

Il “lac operon” è stato il primo esempio di regolazione genica a livello trascrizionale

chiarito a livello molecolare (Nobel 1961 a Jacob e Monod)

Il repressore lac si lega all’operatore principale (O1)

e ai siti pseudo-operatori(O2 e O3), formando nel DNA un “cappio” che si

avvolge intorno alla molecola del repressore

impedendo all’RNA polimerasi di trascrivere

Regolazione Regolazione negativanegativa

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Regolazione dell’operone del lattosio (2)

La repressione viene rimossa con un meccanismo analogo al caso (a) visto nei sistemi di regolazione generale

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Regolazione dell’operone del lattosio (3)

L’attivazione avviene con un meccanismo analogo al caso (d) dei sistemi di regolazione generale.Quando la concentrazione del glucosio è bassa, la concentrazione di cAMP è alta, si forma un

complesso CRP-cAMP che interagendo con l’ RNA polimerasi incrementa di 50 volte la trascrizione

Regolazione positivaRegolazione positiva

Proteina Recettore dell’cAMP(CRP CRP o CAP CAP)

AMP ciclico (cAMPcAMP)

“Molecola della fameMolecola della fame” segnala l’assenza di glucosio

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Regolazione dell’operone del lattosio (4)

Effetti combinati del glucosio e del lattosio sull’espressione dell’operone lac

CRP e cAMP sono coinvolti nella regolazione coordinata di più operoni dettireguloni. reguloni. Una situazione analoga più complessa la troviamo negli eucarioti

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Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti (1)

La trascrizione è accompagnata da un rimodellamento della cromatinarimodellamento della cromatina

Siti ipersensibili alle nucleasi con scarsità di nucleosomi (pochi istoni e spesso modificati)

Prevalgono meccanismi di regolazione regolazione positiva positiva (la regolazione negativa è sostituita dall’inaccessibilità della cromatina)

Ogni gene richiede una specifica regolazionePer aumentare la specificità più attivatori

proteici interagiscono tra loro diminuendo così la probabilità di attivazioni casuali

I contatti proteina-proteina tra attivatori lontani spesso avvengono grazie alla formazione di anse di DNA

Gli ormoni non Gli ormoni non stereoidei stereoidei

Si legano ai recettori della

superficie cellulare,

innescando un meccanismo di segnalazione che stimolano la trascrizione

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Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti (2)

Regolazione ormonaleRegolazione ormonale

Ormoni stereoidei Ormoni stereoidei Interagiscono direttamente con le proteine regolatrici che si

legano al DNA (recettori intracellulari) con effetti positivi o negativi sulla trascrizione dei geni bersaglio dell’ormone